(57)【要約】【課題】  下水汚泥焼却灰を用いて製造される多孔質体の強度を高くし、かつ製造法を簡単化すること。【解決手段】  下水汚泥焼却灰などの無機物の粉体と結合材とを混合する混合工程と、この混合工程により混合された混合体を造粒する造粒工程と、この造粒工程により造粒された造粒体を成型する成型工程と、この成型工程により成型された成型体を焼成する焼成工程とからなる製造方法により、強度が高い多孔質体を簡単に製造できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機物の粉体と結合材とを混合する混合工程と、該混合工程により混合された混合体を造粒する造粒工程と、該造粒工程により造粒された造粒体を成型する成型工程と、該成型工程により成型された成型体を焼成する焼成工程とを有してなる多孔質体の製造方法。
【請求項２】
前記粉体は、下水汚泥焼却灰であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質体の製造方法。
【請求項３】
前記成型工程は、前記造粒体を加圧して行うことを特徴とする請求項１または２に記載の多孔質体の製造方法。
【請求項４】
前記成型工程は、前記造粒体の投影面積当り１５０乃至４００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧することを特徴とする請求項３に記載の多孔質体の製造方法。
【請求項５】
無機物を主成分とする粒子群が成型、焼成されてなり、粒子同士が融着する融着部と、粒子間の隙間の空隙部とを有してなる多孔質体。
【請求項６】
前記粒子群は、下水汚泥焼却灰から形成された粒子の集まりであることを特徴とする請求項５に記載の多孔質体。
【請求項７】
前記多孔質体は、該多孔質体の外表面の一部または全部が撥水処理されてなる請求項５または６に記載の多孔質体。
【請求項８】
前記多孔質体は、前記空隙部に有機物が付着してなる請求項５または６に記載の多孔質体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機物、特に下水汚泥焼却灰から形成されてなる多孔質体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理する際に発生する下水汚泥は、都市下水などから大量に発生する。一般に、下水汚泥を処理する方法としては、汚泥を焼却炉で焼却して減容してから、その焼却灰を廃棄物として埋立てる方法が知られている。しかし、埋立地の確保が難しいことから、埋立地の延命化を図るため、下水汚泥焼却灰を資源として再利用する試みがなされている。
【０００３】
下水汚泥焼却灰（以下、単に焼却灰という。）を再利用する方法として、焼却灰をバインダとともに混練して造粒し、乾燥した造粒体を焼成炉に導いて高温（例えば、１０５０℃）に加熱し、焼却灰中の揮発分をガス化して発泡させることにより、気泡を含む粒子状の軽量骨材を得る方法が知られている。
【０００４】
また、焼却灰を造粒して乾燥後、焼成してなる粒子状の焼成体を２次原料とし、これを他のセラミックス粉末および結合材と混合してプレス成型後、再度焼成して多孔質体を形成し、舗装用ブロックなどに利用する方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−６７５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の技術によれば、焼却灰に結合材を加えて造粒、焼成してなる粒子状の焼成体に、再び結合材を加えて成型、焼成しているから、結合材の添加と焼成工程を２回行うことになり、製造工程が複雑になるという問題がある。
【０００７】
また、一度焼成した粒子状の焼成体を再度焼成しているため、粒子同士の溶着が不十分となり、焼成体の強度が制限されるという問題がある。
【０００８】
本発明は、下水汚泥焼却灰を用いて製造される多孔質体の強度を高くし、かつ製造方法を簡単化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、焼却灰などの無機物の粉体に結合材を加えて混練し、造粒、乾燥してなる造粒体を、先ず所定の形状に成型し、その成型体を焼成することにより、その形状を保持した多孔質体が得られることを知見した。すなわち、従来法のように、造粒体を焼成する場合、再び結合材を加えて成型体を形成し、焼成する必要が生じるが、本発明によれば、造粒体を直接成型しているから、結合材の添加と焼成がいずれも１回で済む。これにより、製造工程が簡単化され、製造コストが安価になるとともに、粒子同士が適度に溶着され、多孔質体の強度が高くなる。
【００１０】
この場合において、結合材は、バインダ、界面活性剤および水などからなり、配合比は、焼却灰の性状などにより適宜決められる。また、成型とは、例えば、造粒体を金型に充填して目的の形状を得ることをいう。ここで、造粒体の充填時または充填後においては、造粒体を加圧しながら成型することが望ましい。これにより、造粒体の充填が密になり、焼成時における成型体の保形性が向上する。さらには、成型体の保形性および金型からの離型性などを考慮すると、造粒体を押付ける圧力は、投影面積当り１５０乃至４００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力範囲に調整することがより好ましい。
【００１１】
本発明により製造される多孔質体は、下水汚泥焼却灰などの無機物を主成分とする粒子群が所定形状に成型、焼成されてなり、粒子同士が融着する融着部と、粒子間の隙間に形成される空隙部とを有して構成される。この多孔質体の空隙率は、例えば、成型工程において、造粒体を押付ける圧力、および焼成温度などを適宜調整することにより、所定範囲の調整が可能となる。すなわち、押付け圧力を低くすると、造粒体同士の隙間が大きくなるから、焼成後において多孔質体の空隙率が大きくなる一方、押付け圧力を高くすると、反対に空隙率が小さくなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、下水汚泥焼却灰を用いて製造される多孔質体の強度が高くなり、かつ製造工程が簡単になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。本実施形態に係る多孔質体は、一般に、都市などから排出される下水汚泥を、焼却炉などで焼却する際に排出される粉末状の下水汚泥焼却灰（以下、単に焼却灰という。）を用いて製造されるものである。すなわち、この焼却灰に結合材を加えて混練し、造粒、乾燥してなる乾燥造粒体を、直接金型などに充填して成型し、この成型体を焼成することにより、製造される。
【００１４】
図１に本発明の一実施形態に係る多孔質体の製造方法の工程図を示す。図に示すように、この製造工程は、焼却灰を所定量受入れるステップＳ１と、焼却灰に結合材を加え混練して混合体を得るステップＳ２と、この混合体を造粒して造粒体を得るステップＳ３と、この造粒体を整粒するステップＳ４と、整粒された造粒体を乾燥するステップＳ５と、この乾燥された造粒体を成型して成型体を得るステップＳ６と、成型体を焼成するステップＳ７と、焼成体を製品化するステップＳ８とから構成される。以下、ステップ毎に順を追って説明する。
【００１５】
まず、ステップＳ１において、焼却炉から取り出された焼却灰を、例えば振動ミルによりさらに細かく粉砕し、粒度が調整された焼却灰を所定量用意する。
【００１６】
次に、ステップＳ２において、この焼却灰に、結合材として、バインダ、界面活性剤および水を適量添加しながら、均一に混合するように混練して混合体とする。バインダとしては、酵母培養濃縮液や廃糖蜜液が好適に使用され、その主たる成分は、例えばセルロース、ヘミセルロース、リグニン等であるが、焼却灰を結合させるものであれば、これに限定されるものではない。また混練の際に添加する水は、混合物の湿潤状態を安定に維持するため使用するものであり、バインダのみでは調整できない場合に適宜使用する。界面活性剤としては、例えばアニオン系界面活性剤を使用することが望ましい。これにより、焼却灰表面の濡れ性が向上し、バインダや水などの湿潤が促進される。すなわち、多孔質体の性状および機能を安定化もしくは向上させる点において、焼却灰中に、バインダ、水および界面活性剤を添加し、均一混合または懸濁させることは有効である。
【００１７】
また、多孔質体の性状および機能に有効な上記以外の添加物としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２等の水酸化物、ＳｉＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯ、Ｋ２Ｏ、ＳＯ３、Ｎｉ２Ｏ３、ＭｎＯ等の酸化物、ＫＣｌ、ＮａＣｌ等の塩化物、及びこれらの無機化合物や有機化合物などが挙げられる。
【００１８】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で得られた混合体を、例えば、ローラ、スクリーン、リテーナから構成される造粒機に供給し、ローラの転圧によりスクリ−ンの開口部から下方に押し出して造形し、次いで、ブレードなどにより所定寸法に切断して造粒体を得る。
【００１９】
ステップＳ４において、この造粒体を回転する円盤（例えばマルメプレート）上に供給し、その上を転がすことにより、粒状に整粒化する。なお、整粒化された時点における粒度分布は、１ｍｍ〜２０ｍｍ超まで幅広く分布している。
【００２０】
ステップＳ５において、整粒された造粒体を乾燥機などに供給し、例えば２００℃の熱風を流動させながら、数時間かけて乾燥させる。この乾燥された造粒体は、篩によって粒度選別され、粒径が０．６ｍｍ〜１．７ｍｍの範囲の粒子群（以下、細粒という。）と、１．７ｍｍ〜３．４ｍｍの範囲の粒子群（以下、粗粒という。）に選別され、乾燥造粒体として貯留される。なお、本実施形態における乾燥造粒体の細粒と粗粒の粒度範囲は、最終製造品に要求される機能などを考慮して適宜選択され、乾燥造粒体の粒度自体を規定するものではない。また、乾燥温度は、２００℃に規定しているが、乾燥造粒体の水分が十分に蒸発され、焼却灰の焼結が開始されない温度であれば、これに限定されない。ちなみに、この乾燥造粒体は、例えば、直接多段噴流炉やロータリキルン炉に供給し焼成することにより、粒状生産物として製品化することができるものである。
【００２１】
次に、ステップＳ６において、乾燥造粒体を、金型内に充填させて成型する。本実施形態においては、周知の圧縮成型法として、例えば一軸圧縮成型が適用される。具体的には、僅かに抜きテーパを付けた金型内に乾燥造粒体（以下、適宜粒子という。）を供給し、短時間振動させて充填状態を充実させた後、押し型により所定圧力で押付けて圧縮するようにする。圧縮が完了したら、押し型を除去し、成型体を金型から抜き出す。
【００２２】
この場合において、成型体が、例えば円柱や立方形などの単純形状であれば、１回の成型で製作できるが、逆円錐台形状などの複雑な形状を有する場合、底面部と側面部における押し型の押し付け移動量に対する粒子の被圧縮率が異なる。そのため、一軸圧縮法を適用する際は、底面部と側面部を２回に分けて、各々圧縮することが望ましい。また、圧縮成型する際に、金型の内側面を粒子が摺動するが、その影響を軽減するため、例えば２軸以上の圧縮成型を適用することが好ましい。また、金型からの離型性を向上させるため、金型内壁に離型剤を塗布することが好ましい。
【００２３】
本実施形態の圧縮成型における押付け圧としては、乾燥造粒体つまり被圧縮物の投影単位面積当り１５０〜４００ｋｇｆ／ｃｍ２であることが好ましく、さらには１７０〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ２であることがより好ましい。この圧力範囲は、粉体の性状や添加する結合材の特性などにより異なるが、押付け圧が過大になると、成型体における粒子間の隙間が小さくなるか、または無くなり、最終製品の多孔性を実現できなくなる。一方、押しつけ圧が過小になると、成型体の強度が低くなり、搬送工程や焼成工程の際に、成型体の形状が維持できなくなる。
【００２４】
次に、ステップ７において、成型体を焼成炉に投入し、焼成する。この場合において、焼成条件は、焼却灰の焼結が開始される温度（例えば、６５０℃）の手前までは、比較的早い速度（例えば、２００℃／時）で昇温し、焼結開始から最高温度までを比較的遅い速度（例えば、５０℃／時）で昇温するようにするのが好ましい。なお、最高温度は、例えば１０６０〜１１００℃とし、十分な時間を保持するようにする。これにより、成型体を構成する粒子は、互いに接する部分から融着が開始される一方、融着されない空間は、空隙として残留し、これにより多孔質体が形成される。
【００２５】
最後に、焼成炉から取り出された焼成済みの多孔質体は、ステップ８において、製品用途に応じて後述する後処理が施され、最終製品となる。
【００２６】
次に、本実施形態において製造される多孔質体の利用法の一例について具体的に説明する。本実施形態の多孔質体は、その空隙率にもよるが、一定の透水性と保水性を有している。これに対し、周知の撥水剤（例えば、炭化水素系、フッ素系など）を多孔質体に作用させると、通気性は維持されるが、透水性と保水性が極端に低下するようになる。そのため、例えば、側面の一部に撥水剤を塗布した多孔質体は、全体として多孔性を有しつつ、一部分は透水性と保水性を保ち、他の部分は殆ど透水性と保水性を持たない特性となる。本実施形態における多孔質体は、例えばフラワーポットとして利用できる。つまり、多孔質体の容器側面部のみ撥水剤を塗布することにより、その部分は通気性を持ちながら透水性が抑制され、内部から水が染み出ることなく、撥水剤を塗布しない底部からのみ排水および吸水が行われる。なお、多孔質体において撥水処理をする範囲は、外表面の一部に限定されず、用途に応じて、全体を撥水処理するようにしてもよい。
【００２７】
また、多孔質体の空隙部に、例えば周知の有機肥料剤（例えば、窒素、リン酸、カリウムなどを含む化合物）を付着させることにより、透水性と保水性により、植栽としての有機成分が補われ、例えば屋上緑化用多孔質体として利用できる。また、上記の有機物を含む水分を多孔質体に含侵させることにより、例えば、コケ類や地被類を植栽した屋上緑化用タイルとして好適となる。
【００２８】
上述したように、本実施形態においては、下水汚泥焼却灰である粉体に結合材を加えて混練し、造粒、乾燥してなる乾燥造粒体を、直接、加圧して成型することにより、目的とする形状の成型体が形成される。また、この成型体を焼成処理しても、成型体の形状を維持した多孔質構造の焼成品を得ることができる。これにより、従来法のように、結合材の添加および焼成処理を２回行う必要がないため、製造工程が簡単化され、経済的である。また、焼成処理が１回で済むから、粒子同士が融着し易くなり、焼成体の強度（例えば、破壊強度）が高くなる。
【００２９】
また、本実施形態では、下水汚泥焼却灰を一例として説明したが、これに限られるものではなく、他の無機物の粉体を造粒し、これを成型、焼成しても、本実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、乾燥造粒体の成型において、圧縮成型を適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、上部が開放された型枠内に、乾燥造粒体を敷き詰めた状態（無圧状態）で焼成し、焼成後に型枠から取り出すようにしてもよい。これによれば、上記の多孔質体と比べて空隙率が大きくなり、破壊強度が低くなるが、その分、通気性が要求される製品などに利用することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例をあげて本発明をさらに具体的に説明する。
【００３２】
（実施例１〜８）前記した図１の製造工程に基づき、下水汚泥焼却灰（東京都下水道局製）を原料として、その乾燥造粒体を圧縮成型し、焼成することにより、多孔質体の試験片を作製した。この場合において用いる結合材は、酵母培養濃縮液（オリエンタル酵母工業（株）製）、界面活性剤は、サンノールＤＬ−１４３０（ライオン（株）製）を使用した。結合材の添加量は、下水汚泥焼却灰を１００重量部として、２７重量部とした。また、乾燥造粒体は、上述した粗粒または細粒をそれぞれ使用した。詳細な試験条件を以下に示す。
（試験条件）
プレス機  ：油圧プレス（リケンパワーＰ１Ｂ−０４１、理研精機（株）製）、ピストンシリンダ受圧面積：３３．１８ｃｍ２
金型寸法  ：内径φ２５ｍｍ
プレス圧  ：２００ｋｇｆ／ｃｍ２、造粒体受圧面積：φ２５ｍｍ
焼成炉    ：マッフル炉（ＮＭＲ−１４−ＳＫ、いすず製作所（株）製）
重量測定  ：電子天秤（ＦＸ−３００Ｎ、ＡＮＤ（株）製）
焼成温度  ：１０６０℃または１１００℃
焼成時間  ：６時間または１２時間
圧縮成型の際に使用するプレス型を図２に示す。図示するように、まず、円筒状の筒枠１をプレス台２の上に載置し、筒枠１の充填部の底部に下敷きとしてピース３を入れ、次いで計量した乾燥造粒体４を投入後、押し型としてピース５を入れることにより、乾燥造粒体４を筒枠１内に挟み込むようにする。そして、ピース５を、ピストン６を介してプレス機により圧縮して成型する。成型後は、成型体を筒枠１から取出して焼成する。
【００３３】
以上の条件に基づき、粒子サイズ、焼成温度および保持時間を変えて製作した結果（実施例１〜８）を、表１に示す。
【００３４】
【表１】
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実施例１〜８において、成型に使用する乾燥造粒体は、粗粒、細粒に関わらず、新たに結合材を添加しなくても成型が可能であり、焼成においても、その形状が維持され、十分に焼結されることが確かめられた。また、焼成体の重量、吸水量および外径寸法を測定した結果を表１に示す。各試験片とも、焼成による収縮が認められ、さらに、焼成温度を１０６０℃から１１００℃に上昇させることにより、収縮率が大きくなっている。これにより、焼成温度を溶融域温度まで昇温させなくても焼結することが判明した。
【００３５】
また、吸水量は、試験片にスポイトで水を滴下させ、試験片から水がしみ出し始めた時点を終点として、水の供給量を求めた。いずれの試験片も水が速やかに吸い込まれるとともに、毛管現象が認められた。以上より、いずれも実施例においても、十分な透水性と保水性を有することが確かめられた。
【００３６】
（実施例９）粗粒の乾燥造粒体を上記の条件により成型し、焼成温度：１０６０℃、保持時間：１２時間として焼成した試験片（表１参照）を、シロキサン系撥水剤（アクアシール１３００ＣＲ、中外炉工業（株））に浸漬させて表面を撥水処理した後、乾燥させた状態で、表面に水滴を滴下した。その結果、水滴が表面で丸くなり、全く浸透しないことが確かめられた。
【００３７】
（実施例１０）粗粒による乾燥造粒体を成型し、焼成温度：１０６０℃、保持時間：１２時間の条件により焼成した試験片（実施例３の試験片を使用）を自然乾燥後、有機物を十分に含んだ水分を含侵させ、コケを付着させた状態で、十分大きい容器に密封し、暗室に約１ヶ月放置した。その後、容器を開放してみると、コケは青いまま生存していることが確かめられた。
【００３８】
（実施例１１）次に、圧縮成型のプレス圧における成型品の評価を行った。金型を圧縮するプレス機のゲージ圧を、２５，３０，６０，１５０，３００ｋｇｆ／ｃｍ２（造粒体押付け圧に換算すると、それぞれ約１６７，２００，４００，１０００，２０００ｋｇｆ／ｃｍ２）と変化させ、乾燥造粒体（１５ｇ、粗粒品）を圧縮した結果、ゲージ圧６０ｋｇｆ／ｃｍ２以上では粒子が潰れてしまい、直接焼却灰を押し固めたものと変わらなかった。一方、ゲージ圧２５ｋｇｆ／ｃｍ２では、粒子同士の付着が弱く、角部分が容易に脱落した。これに対し、ゲージ圧３０ｋｇｆ／ｃｍ２では、乾燥造粒体が潰れずに、比較的良好な状態で密着した成型品が得られた。ちなみに、このゲージ圧３０ｋｇｆ／ｃｍ２の成型体を焼成（１０６０℃および１１００℃）したところ、僅かの焼成収縮が見られたが、形状は保持されることが確かめられた。
【００３９】
（実施例１２）実施例１における乾燥造粒体を、加圧せずに、上部が開放された型枠内に敷き詰め、型枠とともに焼成し、多孔質の試験片を作製した。この試験片を、焼成温度が１０００℃および１０５０℃〜１１００℃の範囲において１０℃間隔の７種類、保持時間を１，３，６，１２，２４ｈの５種類とし、これらの組み合わせに対し、焼結性を評価した。その結果、１０８０℃×１２ｈにおいて、試験片の９０％以上の粒子が融着されるとともに、表面に満遍なくガラス質が生じることが確認された。また、さらに焼成温度を上げていくと、上記の融着状態に要する保持時間が短縮できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る多孔質体の製造方法の工程図である。
【図２】本発明の実施例に係る乾燥造粒体のプレス型の構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  筒枠
２  プレス台
３，５  ピース
６  ピストン
【図１】
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【図２】
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